Triple-Sensoren zur Inline-Überwachung von Prozessbädern in der chemischen Oberflächenvorbehandlung (TIPO)

Abstract

Das Forschungsprojekt TIPO verfolgte das Ziel, die Effizienz und Qualität in der Oberflächentechnik - insbesondere bei der Kontrolle von chemischen Vorbehandlungs-bädern - durch innovative Sensortechnologie maßgeblich zu verbessern. Der Fokus lag auf der Entwicklung und Charakterisierung von Sensoren zur Messung von Temperatur, elektrischer Leitfähigkeit und pH-Wert sowie deren Kombination auf einem Chip. Begleitet wurde dies von einer umfassenden Auswahl und Untersuchung grundsätzlich geeigneter sensitiver Materialien, um stabile und zuverlässige Sensoren speziell für die Anwendung in chemischen Prozessbädern und Kühlschmierstoffen zu entwickeln. Das Projekt sollte Wege aufzeigen, den Stand der Technik durch preiswerte alternative Lösungen insbesondere für KMUs zu ergänzen und somit die Verbreitung von Messtechnik in der Oberflächenbehandlung voranzutreiben. Die Projektergebnisse zeigten beachtliche Fortschritte in der Integration der Messfunktionen auf einem Chip, wobei die Miniaturisierung eine Schlüsselrolle spielte. Es konnten im Bereich der Sensortechnologie - insbesondere in Bezug auf Materialbeständigkeit und Langzeitstabilität der Sensoren - wichtige Erkenntnisse gewonnen werden. Um die Zuverlässigkeit weiter zu verbessern und die Anwendungsgebiete der Sensoren zu verbreitern, ist weitere Forschung und Entwicklung notwendig. Konkret wurde festgestellt, dass Rutheniumoxid (RuOx) als sensitives Material für die potentiometrische Erfassung des pH-Wertes in den Zielanwendungen geeignet ist. Weiterhin wurde Barium-Strontium-Titanat als Deckschicht für die verwendeten Leitfähigkeits- und Temperatursensoren evaluiert. Dieses zeigte in den sauren Testbädern jedoch eine unzureichende Beständigkeit. Erste Untersuchungen zu Hafniumoxid (HfOx) deuten auf eine wesentlich höhere chemische Stabilität in sauren (und ebenso gutes Verhalten in alkalischen) Medien hin. Allerdings konnte dieses Material innerhalb der Projektlaufzeit nicht mehr in die Sensoren integriert werden. Während die Herstellung der Triple-Sensoren durch Dünnschichtprozesse im Projekt optimiert und beherrscht wurde, stellte sich die Einhausung und Verkapselung zum Schutz des Siliziumsubstrates und der Kontaktierungen vor den aggressiven Medien im Realbad als größere Herausforderung dar. Verschiedene Ansätze unter Nutzung der additiven Fertigung wurden verfolgt. Dabei konnten Teilerfolge erzielt werden, eine zuverlässige Lösung bedarf jedoch weiterer Entwicklungsschritte. Zusammenfassend liefert das TIPO-Projekt wertvolle Erkenntnisse und Fortschritte in der Sensorik für die Oberflächentechnik. Die gewonnenen Ergebnisse und Erfahrungen sind wichtig für die Weiterentwicklung und Anwendung der Sensortechnologie in der industriellen Oberflächenbehandlung. Zukünftige Forschungsarbeiten sollten sich auf die Verbesserung der Langzeitstabilität und die Verbreitung der Technologie in verschiedene industrielle Anwendungen konzentrieren, um das zukünftige Level der Qualitätssicherung zu erhöhen. Das IGF-Forschungsvorhaben Nr. 21418 BR „Triple-Sensoren zur Inline-Überwachung von Prozessbädern in der chemischen Oberflächenvorbehandlung“ der Forschungsvereinigung Deutsche Gesellschaft für Galvanound Oberflächentechnik e. V. (DGO) wurde im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Die Forschungseinrichtungen bedanken sich bei den Mitgliedern des projektbegleitenden Ausschusses für die fachliche Begleitung und Unterstützung.